23.4.2024

Träbaserade 1D-nanomaterial ger genombrott inom 3D-printning

Forskare vid Åbo Akademi och Åbo universitet meddelade nyligen att de har utvecklat ett välfungerande biobläck som gör det möjligt att 3D-printa verklighetstrogna modeller av benvävnad. En liten, men viktig, del av denna framgång var att införa fosforylerade nanofibriller av cellulosa från träbiomassa.

Cellulosa och lignin är material som är vanligt förekommande i naturen. De är biopolymerer som bland annat ger träd och växter deras strukturella integritet. Förnybara biopolymerer anses ha stor potential att bli grundstenar i framtidens biobaserade ekonomi då samhället i allt högre grad strävar efter att ersätta petroleumbaserade produkter med biobaserade.

Nanomaterial är sådana material vars mått är mindre än 100 nanometer i minst en dimension. Material i nanostorlek kan ha unika egenskaper, som samma material inte uppvisar i större skala. Nanofibriller, nanofilament och nanorör är exempel på endimensionella (1D) nanomaterial, som är begränsade till nanostorlek i två dimensioner. Utmärkande egenskaper hos endimensionella nanomaterial är en stor yta i förhållande till volym och en topografi med högt aspektförhållande, alltså en betydande skillnad i höjd eller längd jämfört med dess bredd eller diameter. Detta gör dem användbara när man bygger komplexa 3D-strukturer.

Forskare vid Laboratoriet för naturmaterialteknik och Laboratoriet för farmaceutisk vetenskap vid Åbo Akademi har nyligen gjort ett genombrott i användningen av 1D-nanomaterial baserade på polymerer från träbiomassa i 3D-printning. Nanofilament av lignin skapas genom en nedifrån-och-upp-metod där nanomaterial byggs eller syntetiseras från mindre komponenter, medan cellulosabaserade nanofibrer framställs med en uppifrån-och-ned-metod där material avlägsnas eller omstruktureras för att skapa en mindre struktur.

Polymerer av lignin är aromatiska föreningar. Lignin utvinns ur pappersmassa vid papperstillverkning och anses ofta vara en sidoström. Lignin är en av de viktigare aromatiska råvarorna för produktion av biobränslen, bioplaster och kemikalier i den framtida biobaserade ekonomin. Ligninets makromolekyler arrangerar sig vanligen i nolldimensionella nanosfärer, alltså nanostorlek i tre dimensioner. Eftersom alla typer av lignin inte är likadana kunde forskarna vid Laboratoriet för naturmaterialteknik manipulera ligninets kemiska struktur och skapa nanofilament av lignin som kan tvärbindas med hjälp av ljus. Dessa nanofilament användes sedan som en effektiv makromonomer tillsammans med polyetylenglykoldiakrylat (en förening som kan användas som bas för hydrogeler) i tillverkningen av en robust hydrogel genom 3D-utskrift med hjälp av digital ljusbehandling (DLP). Utskriftstekniken använder ljus för att solidifiera biobläcket. Användningen av nanofilament visade sig minska den så kallade ljusspridningseffekten vid DLP-utskrift, vilket ökade precisionen. Nanosfärer, å andra sidan, förstärkte ljusspridningseffekten.

‒ Nanomaterial handlar om yta. När man använder ett nanomaterial måste man kunna komma åt ytan. 1D-nanofilament kan förstås som nanosfärer som skivats upp och arrangerats om till långa trådar, vilket gör det möjligt att utnyttja en större del av materialets yta, säger Xiaoju Wang, akademiforskare vid Laboratoriet för farmaceutisk vetenskap.

‒ Jag tror att vi är de enda som har tillverkat lignin i det här formatet, åtminstone är vi de enda som har rapporterat om det, tillägger hon.

Bioprintade benceller

Bioprintning fungerar på många sätt som traditionell 3D-printning, tredimensionella strukturer skapas lager för lager. Bläcket som används vid bioprintning innehåller dock levande celler, vanligtvis i en hydrogel som också innehåller till exempel näringsämnen för cellerna. Hydrogeler är hydrofila och de som används för biobläck har egenskaper som liknar naturlig vävnad och tenderar att vara kompatibla med levande system.

Vattenbaserade tvåfasemulsioner (ATPE) har visat sig vara lovande inom många tillämpningsområden. En klassisk ATPE består av två vattenlösliga makromolekyler, gelatin och dextran. Dextran är en polysackarid, dvs. en kolhydrat. Gelatin och dextran skapar två skilda faser när de blandas. Blandningen är biokompatibel och lämpligt för utvecklingen av mångsidiga biobläck. En stabil ATPE har små droppar av en fas utspridda i den andra fasen, vilket stöder bildandet av makroporer i den makroskopiska hydrogelen. Det är viktigt för att celler som lever i hydrogelen ska kunna interagera med varandra och metabolisera korrekt. En orörd ATPE av gelatin och dextran saknar dock den långsiktiga stabilitet och specifika biofunktionalitet som krävs för att producera och upprätthålla benvävnad.

Det är här de 1D-nanofibriller av cellulosa som Wang och hennes team skapat kommer in i bilden. Utmaningen med materialets stabilitet kunde lösas genom att man inkluderade fosforylerade nanofibriller av cellulosa (pCNF) i blandningen. De små och extremt tunna fibrer som pCNF utgörs av har separerats från träbiomassa och fosfatgrupper har tillförts under nanosyntesen. Fosfaterna i pCNF förväntas också fungera liknande som fosforgrupper i naturliga benceller och brosk. Forskarna drog slutsatsen att pCNF är en mångfunktionell tillsats som kan förbättra ATPE-biobläckets flödesegenskaper och samtidigt göra hydrogelen mer stabil och robust. Ännu viktigare är att pCNF underlättar tillväxten och organiseringen av levande celler inom biokonstruktionerna.

Kalciumfosfat är en nödvändig mineral för osteoblaster, en typ av benceller, och fosfatet i pCNF kan utlösa differentieringen av de för-osteoblastiska cellerna i hydrogelen till riktiga osteoblastiska celler. För-osteoblastiska celler uppvisar vissa likheter med stamceller, men de är mer specialiserade mot benceller. I en laboratoriemiljö skulle differentieringsprocessen normalt utlösas genom kemisk stimulering av de för-osteoblastiska cellerna.

‒ Tack vare de utmärkande egenskaperna hos 1D-nanomaterial visade pCNF stor förmåga att bilda nätverk även vid låga koncentrationer. Detta gjorde dem till en ”game changer” för vår forskning, säger Wang.

Framtiden för 1D-nanomaterial

Farmakologiska och diagnostiska tester är möjliga användningsområden för det nyutvecklade biobläcket. Regenerativ medicin kan också vara en annan möjlig framtida användning. Nästa generations hydrogeler som ska vara lämpliga för bärbar teknik måste också vara robusta och inbäddade med funktioner som behövs för att övervaka fysiologiska funktioner, tror Wang.

‒ Förnybara 1D-nanomaterial kan definitivt bidra till dessa utvecklingsområden på olika sätt, säger hon.

Wang är säker på att 1D-nanofilament av lignin har ytterligare användningsområden. Nästa steg är att integrera ledningsförmåga i systemet för att underlätta elektrisk stimulering till celler.

För att bygga vidare på här innovationerna, och deras slutgiltiga tillämpningar, krävs tvärvetenskapligt samarbete. Materialforskare, som Wang, spelar en avgörande roll i utvecklingen av funktionella biomaterial som minskar klyftan mellan forskning och den slutgiltiga tillämpningen.

De två forskningsartiklarna, Evolution of Self-Assembled Lignin Nanostructure into Dendritic Fiber in Aqueous Biphasic Photocurable Resin for DLP-Printing och Bioprinting Macroporous Hydrogel with Aqueous Two-Phase Emulsion-Based Bioink: In Vitro Mineralization and Differentiation Empowered by Phosphorylated Cellulose Nanofibrils, som producerats av forskningsgrupperna vid Åbo Akademi och Åbo universitet, publicerades i tidskriften Advanced Functional Materials.